Как термообработка формирует профиль твердости горячекатаных стальных шаров

Термообработка определяет глубину закалки горячекатаного стального шара, изменение его твердости по направлению к центру и величину остаточных напряжений после охлаждения. Поэтому два шара с одинаковой твердостью поверхности могут по-разному вести себя при многократных ударах и абразивном износе. Один может сохранять полезную твердость по мере износа, а у другого может обнажиться более мягкая внутренняя часть или образоваться трещины, сокращающие срок его службы.

При технической оценке удовлетворительный профиль твердости сочетает износостойкость по всему рабочему сечению с достаточной стойкостью к растрескиванию в заданных условиях работы мельницы. Желателен профиль с почти равномерной твердостью, однако одна лишь равномерность не свидетельствует о высокой вязкости. Допустимым может быть и постепенное снижение твердости к центру. Оценка зависит от диаметра шара, химического состава стали, микроструктуры и интенсивности ударных нагрузок.

Закалка определяет глубину упрочнения

При горячей прокатке формируется шар и создается тепловая история, влияющая на последующую термообработку. В зависимости от технологии производства шары могут поступать на контролируемое охлаждение с использованием сохраненного тепла прокатки или проходить отдельный этап повторного нагрева. В обоих случаях распределение температуры и состояние аустенита перед закалкой влияют на конечную структуру.

Аустенизация должна подготовить сталь к требуемому превращению без чрезмерного роста зерна. Недостаточный или неравномерный нагрев может привести к неодинаковым исходным условиям по сечению. Чрезмерная температура или длительная выдержка могут укрупнить зерна исходного аустенита и потенциально снизить вязкость, даже если твердость готового изделия кажется удовлетворительной.

При закалке поверхность теряет тепло быстрее, чем центр. Если скорость охлаждения достаточна для данного химического состава стали, аустенит превращается в мартенсит, обеспечивая высокую твердость. При более медленном охлаждении в зависимости от кинетики превращения могут образоваться бейнит или перлит. Полученный профиль твердости отражает эти различия, однако одних измерений твердости недостаточно для надежного определения всех структурных составляющих.

Прокаливаемость стали определяет, насколько глубоко распространяется эффект закалки в шаре. Прокаливаемость отличается от максимально достижимой твердости: углерод в значительной мере влияет на твердость мартенсита, тогда как марганец, хром и другие легирующие добавки могут влиять на требуемую скорость охлаждения для получения закаленной структуры. Одних только обозначений марок недостаточно для сравнения, если соответствующие им пределы химического состава неясны. Для оценки необходимы фактический химический состав и его связь с выбранным диаметром шара.

Диаметр имеет значение, поскольку при прочих сопоставимых условиях центр более крупного шара охлаждается медленнее. Для диапазона продукции, например 20–150 mm, нельзя автоматически считать, что режим термообработки, обеспечивающий удовлетворительный профиль у шаров меньшего размера, подходит и для шаров максимального диаметра. Повышение интенсивности закалки может увеличить глубину упрочнения, но также способно усилить температурные градиенты, деформацию и риск образования трещин.

На охлаждение влияют состояние и температура закалочной среды, ее циркуляция, загрузка и время переноса. Неравномерные условия охлаждения могут создавать различия не только между поверхностью и центром, но и по окружности шара. Поэтому один радиальный профиль измерений может не выявить локально мягкий участок или чрезмерно резкий градиент в другой части шара.

Отпуск одновременно регулирует твердость и напряжения

Мартенсит после закалки может обеспечивать высокую твердость, сохраняя при этом значительные внутренние напряжения и ограниченную вязкость. Отпуск изменяет это состояние за счет эволюции микроструктуры и снятия напряжений. Как правило, с повышением температуры и продолжительности отпуска твердость снижается, хотя характер изменений зависит от химического состава и исходной структуры.

Цель — достичь полезного баланса между износостойкостью и сопротивлением ударным повреждениям. Шар, соответствующий требованию по высокой твердости поверхности, но прошедший недостаточный отпуск, может оставаться уязвимым к растрескиванию. Чрезмерный отпуск способен настолько снизить твердость, что износ увеличится. Ни одно из этих состояний нельзя уверенно оценить по единственному измерению поверхности.

Отпуск также не способен исправить все проблемы закалки. Если из-за недостаточного охлаждения в центре образовалась значительная доля более мягких продуктов превращения, отпуск не превратит эту область в закаленный мартенсит. Корректирующие меры должны быть направлены на химический состав, аустенизацию, условия охлаждения или их сочетание. Это различие важно при расследовании резкого падения твердости от поверхности к сердцевине.

Оценка профиля по мере износа шара

При измельчении наружный материал постепенно удаляется, обнажая более глубокие слои. Твердая поверхность над значительно более мягкой внутренней частью может обеспечить обнадеживающий результат первоначального измерения, но при дальнейшей эксплуатации хуже сопротивляться износу. Поэтому наряду с минимальным значением следует учитывать положение и крутизну снижения твердости.

Небольшое снижение твердости у поверхности с последующим повышением в подповерхностном слое указывает на иную проблему, чем ее равномерное падение к центру. Одним из возможных объяснений является поверхностное обезуглероживание: потеря углерода при нагреве может привести к тому, что наружный слой будет хуже закаливаться. На измерения поверхности также могут влиять окалина, кривизна и недостаточная подготовка, поэтому прежде чем менять цикл термообработки, следует установить причину.

Выраженное снижение твердости в средней по радиусу зоне или сердцевине может указывать на недостаточную глубину закалки. Относительно ровный профиль с высокой твердостью может свидетельствовать о глубоком упрочнении, однако для подтверждения все равно нужны данные об отпуске и структурной целостности. Плавная кривая твердости не исключает трещин закалки, неблагоприятных остаточных напряжений или металлургических дефектов.

При оценке результатов следует учитывать условия эксплуатации. При высоких ударных нагрузках важнее стойкость к разрушению и выкрашиванию. Если преобладает абразивный износ, а ударные нагрузки менее интенсивны, большее значение может иметь сохранение твердости по всему сечению. Характеристики руды, размер шара, режим работы мельницы и условия измельчения могут изменить этот баланс; ни один профиль не гарантирует минимальный расход мелющих тел для всех применений.

Что должен содержать полезный отчет о твердости

В отчете о термообработанных горячекатаных стальных шарах необходимо достаточно четко указать места измерений и метод подготовки образцов, чтобы другая лаборатория могла воспроизвести оценку. Формулировки «твердость поверхности» и «твердость сердцевины» без указания конкретных мест оставляют слишком много возможностей для несопоставимых результатов.

• Идентификация образцов: плавка стали, производственная партия, номинальный диаметр и партия термообработки; образцы должны представлять соответствующие типоразмеры.
• Места измерений: расстояние от исходной поверхности, промежуточные радиальные положения и центр; предпочтительно указывать как глубину, так и нормированное радиальное положение.
• Метод испытания: шкала твердости, испытательная нагрузка, если применимо, подготовка поверхности, а также учет кривизны или перевод между шкалами.
• Разброс значений: отдельные результаты для нескольких шаров и, при необходимости, измерения в нескольких направлениях по сечению.

Испытания по Роквеллу могут применяться для плановой оценки твердости при соблюдении требований метода к геометрии и толщине образца, его подготовке и расстоянию между отпечатками. Испытания по Виккерсу могут помочь выявить локальные изменения у поверхности или в различных микроструктурных областях. Результаты, полученные по разным шкалам, следует сохранять в исходном виде: пересчет вносит неопределенность и не должен затруднять принятие решения в пограничных случаях.

Для испытаний по Роквеллу могут использоваться ASTM E18 или ISO 6508, а для измерений по Виккерсу — ASTM E384 или ISO 6507 в зависимости от выбранной процедуры и нагрузки. Это стандарты измерений. Ссылка на них не устанавливает допустимый градиент твердости для конкретного применения в измельчении. Предельные значения, частоту отбора образцов и порядок учета выбросов необходимо согласовать отдельно.

Резку образцов следует выполнять так, чтобы избежать теплового повреждения, изменяющего исследуемую структуру. Затем при металлографическом исследовании следует проверить, объясняют ли наблюдаемые фазы, обезуглероживание и возможные трещины профиль твердости. Для результатов испытаний на удар также необходимы заданные геометрия образца и методика; значения, полученные по разным процедурам, нельзя считать взаимозаменяемыми показателями долговечности шара в целом.

При сравнении категорий продукции такого же внимания требует способ производства. Например, позицияЛитые шары может иметь отношение к более широкому обзору мелющих тел, однако ее значения твердости следует оценивать с учетом собственного химического состава и микроструктуры. Литые мелющие тела могут отличаться от горячекатаных стальных шаров количеством карбидов и характером разрушения, поэтому одинаковые значения поверхностной твердости HRC не подтверждают эквивалентность эксплуатационных характеристик.

Технически обоснованный выбор начинается с профиля твердости для конкретного диаметра, проверки его соответствия микроструктуре и оценки обоих факторов с учетом ударных и абразивных условий в мельнице. Если у рассматриваемого варианта выше твердость поверхности, следующим важным подтверждением будет то, сохраняется ли она в материале, который будет постепенно изнашиваться, и способен ли шар выдерживать удары, необходимые для достижения этого слоя.